UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ESTRUTURAS. Concreto Armado:

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ESTRUTURAS Concreto Armado: Introdução e propriedades dos materiais José Samuel Giongo São Carlos, 05 de Março de 2007.

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3 APRESENTAÇÃO Este texto apresenta os capítulos iniciais a respeito das matérias lecionadas na disciplina SET 409 Estruturas de Concreto Armado I, Turma 2, ministrada no ano de 2007, na Escola de Engenharia de São Carlos USP. Os capítulos são: 1 Introdução, no qual é estudada uma breve história do concreto armado, no mundo e no Brasil; 2 Deformabilidade do concreto, sendo que se apresenta o comportamento do material concreto e se as expressões indicadas na NBR 6118:2003 com as quais se quantificam a retração e da fluência; 3 Propriedades mecânicas do concreto, originalmente publicado em livro editado pelo Instituto Brasileiro do Concreto (Isaia, G. C., Editor (2005). Concreto: ensino, pesquisas e realizações. São Paulo. IBRACON Instituto Brasileiro do Concreto. 2v.) em coautoria com a Professora Doutora Ana Elisabete P. G. de Ávila Jacintho, da Faculdade de Engenharia Civil UNICAMP; e, 4 Propriedades mecânicas dos aços. Este trabalho considera nas análises os conceitos e termos apresentados na NBR 6118:2003, publicada em Parte deste texto aproveita o que foi escrito no trabalho Concreto Armado: Propriedades dos materiais, publicado na EESC USP, em janeiro de 1986, pelo Professor Doutor Libânio Miranda Pinheiro e pelo autor desta edição de Colaborou nesta versão o Engenheiro Rodrigo Gustavo Delalibera, pósgraduando doutorado no Departamento de Engenharia de Estruturas EESC USP e o Eng. Petrus Vinicius Silveira Daniel, em 2005 aluno do curso de graduação em Engenharia Civil da EESC USP e monitor da Disciplina SET 404 Estruturas de Concreto A. Ao final dos capítulos se apresentam as referências bibliográficas consultadas e, também, sugeridas para melhorar o conhecimento.

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5 Sumário 1 INTRODUÇÃO Histórico Generalidades Importância do estudo das estruturas de concreto Materiais constituintes das estruturas de concreto Concreto simples Concreto armado Concreto protendido A família das estruturas de concreto Estruturas de concreto vantagens e desvantagens Normas técnicas para projeto e construções de concreto 9 2 DEFORMABILIDADE DO CONCRETO Considerações iniciais Generalidades Estrutura interna do concreto Retração e expansão Causas da retração e da expansão Fatores que influem na retração Deformações causadas por ações externas Deformação imediata Fluência Relaxação Deformações recuperáveis e deformação residual Critérios para cálculo da retração e fluência Preâmbulo Deformações do concreto Considerações iniciais Fluência do concreto Retração do concreto Idade e espessura fictícias Deformação total do concreto Deformações na armadura Exemplo de cálculo de deformações 28 3 PROPRIEDADES MECÂNICAS DO CONCRETO Introdução Considerações iniciais Fatores que influenciam a resistência mecânica Evolução da resistência do concreto Conceito de resistência Influência das formas e dimensões dos corposdeprova Velocidade e duração da carga Resistência à compressão Conceito de resistência característica à compressão Deformações de ruptura Deformações de ruptura na compressão simples Deformação na flexão simples Deformação na flexocompressão Diagrama tensão deformação Classes de resistência do concreto 3.3 Resistência à tração Preâmbulo Determinação da resistência à tração Resistência por ensaios à tração direta Resistência à tração por ensaios à flexão Resistência à tração por ensaios à compressão diametral Resistência característica à tração do concreto Resistência à tração do concreto considerada em projeto Resistência no estado múltiplo de tensões PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS Considerações iniciais Generalidades Processo de obtenção dos aços Tratamento industrial dos aços Propriedades mecânicas das barras e fios de aço Aços para concreto armado Aços de dureza natural Aços encruados a frio Propriedades das barras e fios de aços para concreto armado Preâmbulo Propriedades geométricas das barras e fios de aço Propriedades mecânicas das barras e fios de aço Propriedades das barras e fios de aço com relação à aderência Propriedades das barras e fios para projetos

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7 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de INTRODUÇÃO 1.1 HISTÓRICO GENERALIDADES As construções em pedra existem, segundo relatos históricos, há quatro mil anos, tomandose como exemplos as pirâmides de Gisé, construídas entre 2.650aC. e 2.550aC. As construções em madeira sobre palafitas se iniciaram no Período Neolítico da préhistória, entre aC. e 4.000aC. As edificações em estruturas metálicas começaram a ser construídas no século XVII, como por exemplo o Palácio do Kremlin, em Moscou, Rússia, sendo que os elementos da treliça eram em barras de ferro fundido justapostos. A utilização do concreto armado é mais recente. Os primeiros elementos de concreto armado foram construídos a partir da metade do século XIX, na França, porém a sua utilização em maior escala aconteceu no início do século XX. O concreto surgiu com o desejo de se criar uma pedra artificial, resistente, econômica e durável como aquelas extraídas das rochas naturais e que apresentasse como vantagens a possibilidade de ser moldada nas formas e dimensões necessárias à sua utilização. A associação do concreto com barras e fios de aço foi motivada pela necessidade de obter maior resistência dos elementos estruturais à tração, que por sua vez fica protegida com relação à corrosão por ação do meio ambiente. A pedra artificial (concreto) amplamente usado até nos dias atuais em inúmeras aplicações, só foi possível com o desenvolvimento do cimento (aglomerante) em virtude das pesquisas feitas por Smeaton e Parker, no século XVIII. A produção industrial do cimento ocorreu no século XX, decorrente de estudos e experiências realizadas por Vicat e Aspdin, no ano de 1824, na Inglaterra, passando o material aglomerante a ser chamado de cimento Portland. Johnson, em 1845, produziu um cimento com a mesma tipologia dos usados atualmente. O cimento armado, na época assim conhecido, foi usado pela primeira vez na França, no ano de 1849, quando Lambot construiu um pequeno barco, que foi mostrado na exposição de Paris em A França, confiando na data da origem do concreto armado, comemorou o seu centenário em Segundo historiadores o barco encontrase no museu de Brignoles (França). No Brasil dizse que o material com o qual o barco de Lambot foi construído é a argamassa armada, material constituído por um compósito de agregado miúdo (areia) e pasta de cimento (cimento e água), com uma armação feita com fios de aço de pequeno diâmetro. A Escola de Engenharia de São Carlos USP, por intermédio de professores e pesquisadores do Departamento de Engenharia de Estruturas, teve e tem participação ativa e intensa no desenvolvimento do material argamassa armada, como pode ser visto no trabalho de, entre outros, Hanai (1981). François Coignet, na França, em 1861 obtém uma patente para a construção de elementos de cimento armado. Joseph Monier, também na França, horticultor e paisagista, construiu em 1861, vasos para plantas usando argamassa armada (cimento armado). Em 1867 ele obtém sua primeira patente para construção de vasos de cimento armado, requerendo outras patentes para a construção de tubos e reservatórios (1868), placas (1869) e pontes (1873). Ward, em 1873, em Nova Iorque (EUA), construiu uma casa em concreto armado, que segundo os historiadores existe até os dias atuais.

8 Capítulo 1 Introdução 2 Thaddeus Hyatt, advogado, também americano, motivado por uma série de ensaios experimentais com elementos de concreto armado iniciados em 1850, obtém em 1877 patente para a construção de um sistema de vigas de concreto e aço, com as barras nas posições corretas para absorver as tensões de tração oriundas das ações de momento fletor e força cortante (estribos e barras dobradas). São apresentadas, a seguir, outros feitos e datas importantes do desenvolvimento na fase pioneira do concreto armado: 1880 Hennebique, na França constrói a primeira laje armada com barras de aço de seção circular; 1884 e 1885 Empresas alemãs, entre elas Wayss e Freytag, adquirem as patentes de Monier para uso em construções na Alemanha e na Áustria; 1886 Koenen, na Alemanha, escreve a primeira publicação a respeito do tema concreto armado; 1888 Döhring, também na Alemanha, registra a primeira patente acerca do uso da protensão em placas e vigas de pequenas dimensões; 1892 Hennebique registra patente da primeira viga com armação semelhante as usadas atualmente, isto é, com barras longitudinais para absorver as tensões de tração oriundas da ação de momento fletor e estribos para absorver as tensões de tração por conta da ação de força cortante; 1897 Rabut, na França, inicia o primeiro curso a respeito de estruturas de concreto armado, na École des Ponts et Chaussées ; 1902 Mörsch, engenheiro da firma Wayss e Freytag, publica a primeira edição de seu livro, apresentando resultados de pesquisas acerca de elementos estruturais em concreto armado e tornandose um dos contribuintes para o conhecimento do comportamento e progresso das estruturas em concreto armado; 1904 Na Alemanha é escrita a primeira norma técnica a respeito de projeto e construção de estruturas de concreto armado. Analisando as datas dos principais eventos do início do concreto armado, podese notar que na última década do século XIX, ocorreu um grande desenvolvimento no conhecimento e, por conseqüência, na utilização de estruturas de concreto armado que continuou no início do século XX. Construções de grande porte foram realizadas, podendose destacar uma delas que foi projetada e construída por Hennebique, que marcou época por muitos anos e foi recorde no gênero: a Ponte Del Risorgimento, em 1911, em Roma, com 100m de vão, com sistema estrutural constituído por um arco bastante abatido, com relação flecha/vão de 1/10. Se, na formulação inicial das teorias fundamentais do concreto armado, o Brasil não apresentou contribuições, face ao avanço tecnológico das nações citadas, podese afirmar que, nas aplicações do material, soube, com arrojo e criatividade, projetar e construir obras significativas, sendo a Engenharia de Estruturas brasileira reconhecida internacionalmente e respeitada. A origem do concreto armado no Brasil, de acordo com os estudos e análises feitas por Vasconcelos (1985), inicialmente publicado em Modesto dos Santos (1985) foi com François Hennebique, que já havia sido o primeiro na Europa a posicionar corretamente a armação em um elemento estrutural, prevendo barras dobradas, ancoradas na região comprimida de vigas, com a finalidade de absorverem as tensões de tração por conta da ação de força cortante. A primeira obra no Brasil foi uma ponte de 9m de vão, construída no Rio de Janeiro, em 1908, com mão de obra do empreiteiro Echeverria, com projeto estrutural de Hennebique. Riedlinger, cidadão alemão, técnico de nível médio, fundou no Rio de Janeiro em 1912, no Rio de Janeiro, a Companhia Construtora de Concreto Armado, tendo construído obras importantes. E 1913 a firma alemã Wayss e Freytag monta uma filial no Rio de Janeiro que, posteriormente, adquire a firma de Riedlinger, sendo que este

9 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de passa a ocupar o cargo de engenheiro chefe. A empresa com essa incorporação contratou, no mercado internacional, diversos mestres de obras que transferiram suas experiências para técnicos nacionais. Um dos primeiros brasileiros que tiveram sua formação fortemente influenciada por Riedlinger foi Emílio Henrique Baumgart, que além de formar numerosos profissionais, deixou um imenso acervo de obras importantes, com diversos recordes mundiais em tamanho e originalidade. Exemplo de obra importante projetada por Baumgart é a ponte sobre o Rio do Peixe, em 1928, construída entre os municípios de Joaçara e Herval do Oeste, no Estado de Santa Catarina, inicialmente denominada Ponte do Herval e, posteriormente, Ponte Emílio Baumgart. Foi recorde mundial de dimensão do vão para viga reta em concreto armado com 68m e construída por processo original na época e hoje conhecido como processo dos balanços sucessivos. A ponte foi tombada pelo patrimônio histórico nacional, pelo que representou de pioneirismo para a Engenharia do Brasil. Infelizmente, por conta das fortes chuvas do verão do ano de 1983 e, com conseqüente enchente do Rio do Peixe, a famosa ponte teve perda de apoio para as suas estruturas de fundações e, portanto, foi levada pela águas, perdendose assim um patrimônio histórico. Obra de destaque do notável Engenheiro Baumgart, nascido em Blumenau SC, foi o Edifício A Noite, construído no Rio de Janeiro, no período entre 1928 e 1930, com 22 andares, tendo sido na época o edifício mais alto em concreto armado no mundo. Muitos outros engenheiros brasileiros merecem destaque por suas obras, entre eles podem ser citados: Paulo Rodrigues Fragoso, projetista da estrutura em concreto do Pavilhão de São Cristóvão, no Rio de Janeiro, cuja cobertura (que não existe mais por conta de um incêndio) em casca de concreto protendida, teve a participação do Laboratório de Estruturas EESC USP, na pessoa do Professor Dante Ângelo Osvaldo Martinelli, nas medidas das deformações dos cabos de protensão; Antonio Alves Noronha, projeto da estrutura do Estádio do Maracanã, Rio de Janeiro RJ; Joaquim Cardoso, projetista dos edifícios da região da Pampulha, em Belo Horizonte MG e também dos principais edifícios públicos da Cidade de Brasília DF. A estrutura de uma edificação só é arrojada se o projeto arquitetônico o for. Assim, há que se destacar o desenvolvimento dos projetos arquitetônicos da arquitetura brasileira, pelas formas e arrojo incomum, exigiu da Engenharia de Estruturas soluções inéditas que possibilitaram significativo avanço. O desenvolvimento da arquitetura adotando estrutura de concreto aparente permitiu que ambas se desenvolvessem transformando os edifícios em obras de arte. Figura proeminente é, portanto, Oscar Niemeyer. 1.2 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO As estruturas de concreto estão presentes em todas, ou praticamente todas as construções, mesmo que as estruturas sejam construídas com outros materiais, como madeira, metálica, alvenaria estrutural, pelo menos os elementos estruturais de fundação são em concreto. Em obras hidráulicas e de saneamento as estruturas em concreto estão presentes nas construções de barragens, tubos de transporte de águas e esgotos, reservatórios, canais, galerias, etc. Nas construções de estradas as obras em concreto encontramse nas pontes, viadutos, galerias, estruturas de contenção de encostas, túneis, e, também, nos pavimentos em concreto que por vezes precisa conter armadura para absorver as tensões de tração. Nas ferrovias, além das estruturas já citadas, têmse as estruturas dos dormentes e demais instalações necessárias.

10 Capítulo 1 Introdução 4 Nos aeroportos os pisos são em concreto armado ou protendido, além de todas as outras instalações necessárias ao funcionamento dos mesmos, tais como torres de observação, garagens, reservatórios, angares e etc. Em edificações industriais metalúrgicas, eletromecânicas, na agroindústria, em edificações religiosas, em clubes, estádios para a prática de esportes, as estruturas de concreto se fazem presentes nas construções de pavimentos, fundações de máquinas, chaminés, silos, muros de arrimo, reservatórios, piscinas, elementos de cobertura, etc. Nos equipamentos urbanos as estruturas de concreto constituem os postes de iluminação pública, as construções de praças, calçadas, espelhos de água, passarelas, etc. Nos edifícios residenciais ou comerciais as estruturas de concreto estão presentes nas construções do sistema estrutural constituído por elementos de fundação, pilares, vigas, lajes, como também nos reservatórios elevados e enterrados, piscinas (por vezes nas coberturas, ou uma em cada apartamento), muros de arrimo, rampas de acesso de veículos, guaritas, etc. O conhecimento do comportamento das estruturas de concreto armado ou protendido é de suma importância para os engenheiros que venham a trabalhar com projetos estruturais como também aqueles que optem pela área de produção de construções, pois é preciso entender as corretas posições das barras das armaduras nos vários elementos estruturais, os deslocamentos (flechas) dos elementos estruturais fletidos para poder decidir a retirada das fôrmas e cimbramentos das lajes e vigas. 1.3 MATERIAIS CONSTITUINTES DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO As estruturas de concreto podem ter armaduras passivas (concreto armado) ou armaduras ativas (concreto protendido, que também tem armaduras passivas), que podem ser em forma de barras ou fios, no primeiro caso, ou fios e cordoalhas no caso de armaduras ativas. As armaduras ativas são as prétracionadas, por equipamentos próprios, e, depois da cura do concreto, as tensões são aliviadas e, portanto, os fios e ou as cordoalhas aplicam uma força de compressão no elemento estrutural. Como será estudado na disciplina de Concreto Protendido, a aderência pode ser posterior à cura do concreto por meio de injeção de nata de cimento em bainhas metálicas ou plásticas que contém as cordoalhas de protensão, a aderência pode ser com aderência inicial quando não há bainha e os fios ou cordoalhas são prétracionados e o concreto é lançado na fôrma, sendo que a força só é aliviada após a cura do concreto do elemento estrutural. Atualmente são construídas estruturas de concreto com barras não metálicas obtidas por processo industrial, constituídas por fios de fibra de vidro impregnadas com polímeros resistentes aos álcalis do cimento. O advento do concreto armado só foi possível por conta da aderência por adesão entre esses materiais, que já existiam como materiais de construção independentes. A aderência permite que as deformações na estrutura na região de contato entre as barras de aço e o concreto sejam as mesmas nos dois materiais. A adesão é o fenômeno de ligação espontânea entre uma massa de concreto e uma barra ou fio de aço, como será estudado em capítulo próprio CONCRETO SIMPLES O concreto simples é um material composto obtido pela mistura, e dosagem conveniente, de agregados graúdos pedra britada ou seixos roladas, agregados miúdos areia natural ou artificial obtida pela moagem de agregados graúdos, cimento (aglomerante hidráulico) e água. Nos concretos podem ser usadas adições com as finalidades de melhorar algumas propriedades tais como: resistência à compressão (sílica ativa), à tração

11 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de (fibras metálicas), resistência à abrasão, diminuição da retração (fibras plásticas), aumento da densidade (minério de ferro). Podem ser consideradas também a necessidade de usar aditivos químicos com finalidades específicas de: acelerador de pega, retardador de pega, incorporadores de ar, melhoria da trabalhabilidade com fator água/cimento pequeno. É denominado de aglomerante hidráulico aquele que reagindo com a água promove a ligação entre os agregados tornandoos participantes de um novo material com propriedades mecânicas diferentes. Assim, as resistências à compressão e a tração, o módulo de elasticidade, a densidade, a condutibilidade térmica, o comportamento químico, etc., serão diferentes daqueles dos materiais constituintes quer sejam a areia natural, a pedra britada, o cimento, os aditivos e adições. Nas aplicações usuais adotamse o cimento Portland comum, embora possam ser usados cimentos específicos, como por exemplo os resistentes a sulfatos quando se projeta uma estruturas de canal destinado a receber águas servidas (esgotos). Os agregados graúdos são escolhidos em função da disponibilidade das rochas locais, podendo assim serem oriundos de rochas de granito ou de outras rochas. Os agregados miúdos podem ser as areias naturais de fundo de rio ou provenientes da moagem de agregados graúdos. Os chamados agregados leves, grãos de EPS (isopor) ou argila expandida, também são usados com a finalidade específica de diminuição do peso próprio dos elementos estruturais. A NBR 7211:1983 Agregados para Concreto, considera agregado miúdo o material que passa pela peneira número 4, que tem malha quadrada com 4,8mm de lado. Agregado graúdo é, portanto, o material que fica retido na peneira número 4. Nas moldagens dos elementos das estruturais usuais costumamse usar como agregado graúdo a pedra britada número 1. As dimensões dos agregados graúdos são classificadas nas categorias indicadas na tabela 1, de acordo com as dimensões nominais. Tabela 1.1 Dimensões nominais dos agregados graúdos (pedra britada) Tipo Número 0 Número 1 Número 2 Número 3 Número 4 Número 5 Dimensões (mm) 4,8 a 9,5 9,5 a a a a a 100 A dimensão máxima do agregado graúdo adotado para o concreto influi nas escolhas das dimensões mínimas dos elementos estruturais, nos espaçamentos entre as barras longitudinais de vigas medidos segundo os planos horizontal e transversal e os espaçamentos entre barras longitudinais de pilares medidos segundo o plano vertical. As estruturas de concreto podem ser em concreto simples que são aquelas que não contém armaduras ou as que as taxas geométrica de armaduras fiquem menores que os valores mínimos indicados em normas técnicas. Assim, as tensões de tração são absorvidas pelo concreto. Lembrase que a resistência à tração do concreto é da ordem de 1/10 da resistência à compressão. Exemplos de aplicação de concreto simples em estruturas podem ser citados os blocos de fundação, os tubulões os muros arrimos de gravidade de concreto ciclópico, constituído por concreto com pedra britada número 1 e com o lançamento de pedras de grande diâmetro aparente com a finalidade de ocupar volume CONCRETO ARMADO Os elementos que compõem as estruturas em concreto armado são constituídos pela associação de concreto simples e barras ou fios de aço convenientemente posicionados para absorver as tensões de tração, embora também possa colaborar

12 Capítulo 1 Introdução 6 com a resistência do elemento absorvendo as tensões de compressão, tais como as atuantes em pilares e nas regiões (entre a borda mais comprimida e a linha neutra). Como já dito a adesão entre os dois materiais é fundamental para a aderência, que permite o trabalho conjunto. A aderência, conforme será estudado em capítulo próprio, é constituída pela adesão, atrito e aderência mecânica, esta por causa das imperfeições das barras lisas e das nervuras nas barras. O trabalho solidário entre aço e concreto é que permite o aumento da capacidade resistente de um elemento estrutural fletido (viga), quando se comparam vigas de mesma largura (b w ) e altura (h)da seção transversal. Para que se entenda esse trabalho conjunto consideramse as vigas da figuras 1.1 sem trabalho solidário entre concreto e as barras por haver uma bainha e figura 1.2 com trabalho solidário por conta da aderência. Figura 1.1 Viga com barras sem aderência Figura 1.2 Viga com barras com aderência Analisando a figura 1.1 ao se aplicar uma força uniformemente distribuída no sentido da força de gravidade, a viga se deforma de tal modo que as fibras superiores apresentam encurtamento (ε cc ) e as fibra na borda tracionada tem alongamento (ε ct ) e as fibras no centro geométrico das barras da armadura tem deformação igual a zero, pois não há aderência entre os materiais. A resultante das tensões nas barras da armadura longitudinal de tração é igual a zero. Considerando agora a viga da figura 1.2, moldada com as barras longitudinais na região tracionada da viga e com aderência entre estas e o concreto, ao se aplicar uma força uniformemente distribuída no sentido da força de gravidade, a viga se deforma de tal modo que as fibras superiores apresentam encurtamento (ε cc ) e as fibras no centro geométrico das barras da armadura tem alongamento (ε st ). A deformação do concreto nessa região que envolve as barras de tração é a mesma que a das barras. Assim, os dois materiais trabalham solidariamente definindo, portanto, um elemento estrutural em concreto armado. Supondo que no caso da viga da figura 1.1 as barras da armadura sejam fixadas em duas chapas metálicas posicionadas nas extremidades com porcas. Ao se aplicar a força uniformemente distribuída, podese perceber que o alongamento total das fibras tracionadas do concreto é igual ao alongamento total das barras de aço, porém as deformações específicas em cada seção transversal da viga, constantes nas barras da armadura, são diferentes ao longo das fibras de concreto em contato com as barras. Assim, ocorre um deslizamento das barras da armadura em relação às fibras de concreto em todas as seções transversais intermediárias, definindo uma situação na qual não há trabalho solidário dos dois materiais. Esse comportamento é típico de estrutura mista aço e concreto.

13 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de CONCRETO PROTENDIDO As estruturas em concreto protendido, ou com armadura ativa, são aquelas em que fios ou cordoalhas formadas por fios trançados, são inicialmente tracionados por equipamento próprio e, posteriormente, com a cura parcial ou total do concreto as forças de tração são liberadas ocorrendo, portanto, força de compressão no elemento estrutural, aumentando a sua capacidade resistente. A protensão pode ser adotada para vigas de pontes com grandes vãos, lajes de edifícios, painéis de fechamento, sendo que os elementos podem ser préfabricados ou moldados no local. Os fios são de aço com propriedades mecânicas diferentes daqueles usados em elementos de concreto com amadura frouxa A FAMÍLIA DAS ESTRUTURAS DE CONCRETO Com o advento dos aditivos e adições, que melhoram certas propriedades das estruturas de concreto, obtemse um concreto dito de alta resistência com a adição de sílica ativa e redução do fator a/c por adição de superplastificante. Quando se procura um concreto resistente a abrasão ou resistente a sulfatos, o que se espera é que ele tenha um desempenho diferente do que um concreto comum, independente do valor da resistência, então eles podem ser chamados de concretos de alto desempenho. Se os concreto têm resistências características menores do que 50MPa eles são ditos de baixa resistência. Essa definição é de acordo com normas da ABNT. Ao se adotarem em um projeto elementos estruturais de pequena espessura, não é possível usar na mistura do concreto agregados graúdos e nem barras e fios de grandes diâmetros. Portanto, é necessário adotar fios de pequeno diâmetro, normalmente em forma de telas soldadas, que é posicionada ao longo da alma do elemento. Esse material é chamado, no Brasil de Argamassa Armada. Como foi visto podem ser adotadas estrutura de concreto protendido. E as estruturas podem ser moldadas no local ou préfabricadas. Desse modo podese entender que as variações nas estruturas de concreto levam todas a pertencerem à família dos concretos, de tal modo que a escolha de um tipo para uma dada solução estrutural depende de fatores técnicos e econômicos. 1.4 ESTRUTURAS DE CONCRETO Vantagens e desvantagens A escolha por um processo construtivo para uma edificação depende de fatores técnicos e econômicos, tais como disponibilidades de materiais e mão de obra, tempo previsto de construção, aporte de recursos pelos investidores, etc. A estrutura de uma edificação pode ser escolhida, de acordo com o projeto arquitetônico, entre as opções de estruturas: concreto moldadas no local, préfabricadas, em concreto armado ou protendido, alvenaria estrutural armada ou não armada, metálicas e madeira. Nos dias atuais em que se pensa na manutenção do que resta do meio ambiente, e até na sua recuperação, há que se analisar o consumo de energia para se obterem os elementos necessários para se construir com um determinado processo estrutural. Assim é necessário avaliar os custos ambientais na coleta e industrialização dos elementos estruturais em aço, tanto as barras e fios/cordoalhas para construções em concreto quanto para estruturas metálicas, os custos para obtenção do cimento, da extração da pedra britada e de areias em minas próprias; os custos para obtenção dos elementos para as construções de estruturas em madeira e para os elementos de

14 Capítulo 1 Introdução 8 blocos para alvenaria estrutural. Em uma análise inicial, do ponto de vista ambiental, a construção de estruturas em madeira é a que menos consome energia no processo de obtenção dos elementos e, se usar madeira de reflorestamento o meio ambiente é menos onerado, na seqüência encontramse as estruturas de concreto e, por fim, as estruturas metálicas. Nos dias atuais notase um número significativo de edifícios de pequeno porte, até quatro andares, e destinados a moradia de pequenas famílias ou individual, construídos com a tecnologia da alvenaria estrutural. Edifícios industriais e escolares têm sido construídos em estruturas metálicas. A opção pelo tipo de estrutura a ser adotado pela firma construtora e ou incorporadora depende de diversos fatores técnicos e econômicos que precisam ser analisados com cuidado. A quantidade de estruturas de concreto armado existentes no Brasil atesta a viabilidade técnico e econômica como material de construção de obras com pequeno e grande volume de concreto. Embora usado com intensidade pelo mercado da construção as estruturas de concreto apresentam qualidades e defeitos. As vantagens e desvantagens na adoção de um determinado material estrutural, têm sempre um caráter relativo, dependendo de um padrão de referência. As estruturas de concreto, por sua larga utilização, apresentam algumas vantagens em relação a outros materiais estruturais, entre elas: a É um material que apresenta boa resistência à maioria dos tipos de solicitação, porém a análise do comportamento estrutural precisa ser cuidadosa visando a segurança estrutural, atentandose para os cuidados de detalhamento da armaduras e suas condições favoráveis de construção; b Economia na construção, pois na maioria das situações os materiais para concreto (agregados miúdos e graúdos) encontramse em quantidade suficientes na região da construção, com custos favoráveis, portanto; c Considerando as estruturas de concreto moldadas no local, o meio técnico dispõem de conhecimento para construir com facilidade e rapidez; d Se a opção for por estruturas préfabricadas em concreto outros fatores precisam ser analisados tais como, transporte, equipamentos necessários para içamento, posicionamento, solidarização e outros; e O concreto é considerado um material durável, porém por ser poroso e com o meio ambiente quimicamente agressivo por conta da poluição ambiental, é preciso prever revestimentos protetores e manutenção periódica. Esse fato fica agravado em edificações construídas em regiões marítimas em virtude da maresia. As barras das armaduras precisam de proteção dada pelo concreto do cobrimento; f As formas arquitetônicas previstas pelos arquitetos são atendidas com o correto projeto dos elementos estruturais e verificação da segurança da edificação e conveniente projeto das fôrmas; g A estrutura é monolítica, se moldada no local, possibilitando que toda a estrutura trabalhe permitindo a redistribuição dos esforços solicitantes; h Os gastos com manutenção são reduzidos, porém é necessário um programa de inspeção e manutenção periódica; i O concreto é pouco permeável à água, necessitando que sejam atendida boas condições de plasticidade, adensamento e cura. A permeabilidade pode ser melhorada com a adição de polímeros;

15 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de j As estruturas de concreto apresenta segurança relativa contra fogo, para tanto cuidados especiais precisam ser tomados com relação aos cobrimentos das barras das armaduras; k Quando convenientemente projetadas as estruturas são resistentes a choques, vibrações, efeitos térmicos e a desgastes mecânicos. As estruturas de concreto têm alguns fatores inerentes ao seu comportamento que podem ser entendidas como desvantagens, e precisam ser consideradas na fase de projeto estrutural e arquitetônico. Entre outras podem ser citadas: a O peso próprio é considerado elevado, quando comparado com outros materiais estruturais e a massa específica aparente é adotada igual a 25kN/m 3. Para o concreto leve estrutural, no qual se adota como agregado graúdo argila expandida, considerase massa específica aparente de 12kN/m 3 a 20kN/m 3 ; b As reformas e adaptações são trabalhosas e de difícil construção, tornandose, em alguns casos, inviáveis. Como opção podem ser adotada no projeto estruturas préfabricadas de concreto; c As estruturas de concreto apresentam fissuras em virtude da pouca resistência do concreto à tração em relação à de compressão. Nas análises das resistências dos elementos estruturais esse fato é considerado por meio das hipóteses de cálculo. As aberturas das fissuras precisam ser controladas para evitar a ação nefasta do meio no interior do concreto com possível ataque químico às barras das armaduras. Em estruturas de reservatórios, piscinas e outras destinadas a conter líquidos, cuidados especiais de impermeabilização precisam ser adotados; d Os ambientes arquitetônicos quando a estrutura é de concreto são desconfortáveis com relação aos comportamentos térmicos e acústicos necessitando, portanto, de adequado projeto de ventilação e escolha de materiais que minimizem estes problemas. Como em qualquer outra decisão econômica, a escolha por um determinado material para compor uma edificação precisa ser feita após análise das disponibilidades dos materiais no local da obra, de mão de obra, dos custos financeiros dos aportes mensais, entre outros. 1.5 NORMAS TÉCNICAS PARA PROJETO E CONSTRUÇÕES DE CONCRETO Os projetos, as construções, as durabilidades e as manutenções periódicas das estruturas, particularmente as de concreto, são regidas por normas técnicas que procuram atender as condições de segurança das estruturas quando em uso. A primeira norma técnica editada no Brasil foi a Normas para execução e cálculo de concreto armado, publicada em 1937, pela Associação Brasileira de Cimento Portland, para suprir as necessidade do meio técnico com relação ao projeto e construção de estruturas de concreto armado. A sociedade técnica brasileira percebeu com a publicação dessa norma a necessidade de criar fórum de discussão de critérios e normas técnicas para projeto e uso de produtos produzidos por uma emergente industria nacional. Foi criada, em 24 de Setembro de 1940, a Associação Brasileira de Normas Técnicas sendo a norma de estruturas de concreto já publicada pela ABCP a receber o número 1 constituindose, portanto, na Norma Brasileira número 1 (NB 1). As edições sucessivas são dos anos de 1950, 1960, 1978 e atualmente temse a norma NBR 6118:2003 Projeto de Estruturas de Concreto, que é uma norma de Procedimento. A

16 Capítulo 1 Introdução 10 sigla NBR significa Norma Brasileira Registrada, nomenclatura adotada pelo Instituto Nacional de Metrologia (INMETRO). O Brasil, em 1973, criou o Sistema Nacional de Metrologia Normalização e Qualidade Industrial (SINMETRO), com a finalidade de reger as atividades normativas, subordinado ao Ministério da Industria e do Comércio (na época). Esse sistema é composto por dois órgãos: Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (CONMETRO), que tem a finalidade de normalizar, coordenar e supervisionar e o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO) que é órgão executivo. A ANBT Associação Brasileira de Normas Técnicas, criada pela iniciativa privada em 1940, foi criada, em caráter permanente, na condição de Fórum Nacional de Normalização pela resolução 14/83, de 30 de Dezembro de 1983, do Ministério da Industria e Comércio (na época). A ABNT, assim, integrouse definitivamente ao SIMETRO, passando a fazer parte do CONMETRO. A ABNT produz os seguintes tipos de normas técnicas: Procedimento (NB), Especificação (EB), Método de Ensaio (MB), Padronização (PB), Terminologia (TB), Simbologia (SB), Classificação (CB). Quando um projeto de norma é aprovado pelo meio técnico com direito a voto, ela é registrada no INMETRO, denominada de Norma Brasileira Registrada (NBR), esta sigla é seguida pelo número de registro e do ano de publicação, separado por dois pontos (:), por exemplo com já citada a NBR 6118:2003. As atividades de projetos e construção são, portanto, regidas por normas técnicas, que na maioria dos casos são explicitadas em contratos de prestação de serviços e norteiam todas as atividades econômicas. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) Projeto de estruturas de concreto: NBR 6118:2003. Rio de Janeiro, ABNT, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT) Agregados para concreto. NBR 7211:1983. Rio de Janeiro, ABNT, HANAI, J.B. Construções de argamassa armada: fundamentos tecnológicos para projeto e execução. São Paulo, Pini, SANTOS, L.M. Cálculo de concreto armado. 2v. São Paulo, LMS, 1983 (v.1), 1981 (v.2). VASCONCELOS, A. C. O concreto no Brasil Recordes, Realizações, História. São Paulo, Edição Patrocinada por Camargo Corrêa S. A., 1985 VASCONCELOS, A. C. O concreto no Brasil Professores, Cientistas, Técnicos. São Paulo, Editora Pini Ltda., 1992

17 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de DEFORMABILIDADE DO CONCRETO 2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS GENERALIDADES A estrutura interna do concreto exerce grande influência tanto na resistência mecânica como na deformabilidade das peças de concreto armado. No processo de mistura dos agregados graúdos e miúdos com cimento e água, começa a se processar a reação química do cimento com a água, resultando a formação de gel de cimento. O gel de cimento corresponde à massa coesiva de cimento hidratado, incluindo os poros do gel, sendo a porosidade característica de aproximadamente 28%. Segundo NEVILLE (1982), a origem da resistência do gel não está completamente esclarecida, mas, provavelmente, deriva de dois tipos de forças de coesão. O primeiro tipo é a atração física entre superfícies sólidas, separadas somente pelos diminutos poros de gel (1,5nm a 2,0nm). O segundo tipo tem origem nas ligações químicas e são muito mais fortes que as forças do primeiro tipo. Durante a mistura do concreto, o gel envolve os grãos dos agregados, endurecendo gradualmente e formando cristais, os quais vão se associando com o tempo. O gel, ao endurecer, liga os agregados resultando um material resistente e monolítico, ou seja, o concreto. A quantidade de água necessária para dar suficiente trabalhabilidade ao amassamento do concreto é da ordem do dobro da quantidade consumida na reação química de hidratação do cimento. Uma parte da água excedente entra em combinação química com componentes menos ativos do cimento. Outra parte forma os numerosos poros e capilares do gel do cimento; esta parte pode evaporarse. Segundo BAYKOV (1980), os poros ocupam cerca de um terço do volume de cimento; com a diminuição do fator água/cimento a porosidade do gel diminui e a resistência mecânica do concreto aumenta. A estrutura interna do concreto resulta bastante heterogênea: adquire a forma de retículos espaciais de cimento endurecido, de grãos de agregados graúdo e miúdo de várias dimensões e formas, envoltos por grande quantidade de poros e capilares portadores de água que não entrou em reação química, e, ainda, vapor de água e ar. Fisicamente, o concreto representa um material capilar poroso, sem continuidade da massa, no qual se acham presentes os três estados de agregação sólido, líquido e gasoso. 2.2 ESTRUTURA INTERNA DO CONCRETO Nos concretos, o volume de agregado graúdo (retido na peneira de malha 4,8mm) é da ordem de 70% do volume total do concreto endurecido. A estrutura interna do concreto pode então ser imaginada como sendo formada pelo agregado graúdo envolvido pela matriz de argamassa (Figura 2.1). A argamassa é constituída pelo cimento hidráulico, agregado graúdo e água. Este modelo é suficiente para justificar a maioria dos fenômenos ligados à ruptura do concreto, nos chamados ensaios rápidos, cuja duração máxima é da ordem de 10 minutos a 20 minutos. Os ensaios para a determinação da resistência do concreto são feitos em prensas hidráulicas por meio corposdeprova cilíndricos, usualmente cilindros com 15cm de diâmetro e 30cm de altura, que é o padrão adotado no Brasil.

18 Capítulo 2 Deformabilidade do concreto 12 Figura 2.1 Agregado graúdo envolvido pela matriz de argamassa No estudo da deformabilidade do concreto, porém, precisa ser considerada a heterogeneidade da matriz de argamassa. A argamassa é constituída principalmente pelo agregado miúdo (passa na peneira de malha 4,8mm) envolvido pela matriz de pasta de cimento (Figura 2.2). Figura 2.2 Agregado miúdo envolvido pela matriz de pasta de cimento As propriedades referentes à deformabilidade do concreto decorrem essencialmente da constituição dessa matriz (Figura 2.3), cuja heterogeneidade é condicionada pelas reações de hidratação do cimento. Figura 2.3 Detalhe microscópio do concreto endurecido Os principais componentes aglomerantes do cimento são o silicato tricálcio (3Cao.SiO 2 ) e o silicato dicálcio (2CaO.SiO 2 ), os quais por hidratação formam microcristais de dissilicato tricálcio hidratado (2CaO.SiO 2.3H 2 O), principal elemento

19 José Samuel Giongo USP EESC SET Concreto armado: introdução e propriedades dos materiais Março de responsável pela resistência do concreto. A expressão química escrita a seguir mostra esta reação. 3CaO.SiO An 2 + 2CaO.SiO2 + 3H2O 3CaO.2SiO2.3H2O silicato silicato água microcristais de tricálcio dicálcio dissilicato tricálcio hidratado A parcela de água fixada quimicamente An é denominada água não evaporável, a qual sofre uma contração de volume de cerca de 25% do volume original. Esse fenômeno de retração química provoca o aparecimento de poros cheios de ar, cujo volume é em torno de 7,5% do volume total da pasta endurecida. Para a reação química de hidratação do cimento, seria suficiente uma relação água/cimento (a/c), em massa, da ordem de a/c = 0,28. A trabalhabilidade do concreto, no entanto, exige muito mais, resultando usualmente fatores a/c entre 0,45 a 0,60. Uma parte do excesso de água é fixada por adsorção aos microcristais (ligações físicoquímicas), resultando um hidrogel rígido de estrutura muito complexa. Essa parcela de água adsorvida constitui a chamada água evaporável A e, pois pode ser removida em estufa a 105 C. O restante da água de amassamento, chamada de água capilar A c, permanece dispersa na matriz de hidrogel rígido, formando uma rede capilar. Essa água capilar pode evaporar, em função do equilíbrio higrométrico da massa de concreto com o meio ambiente, produzindose forças capilares equivalentes a uma compressão isotrópica da massa do concreto (ver Figura 2.4). Figura 2.4 Tensão capilar na massa do concreto. Essas forças capilares aumentam à medida que se processa a evaporação da água, pois os meniscos caminham para capilares de diâmetros cada vez menores. Além dos microcristais de dissilicato tricálcio hidratado, também são formados cristais de outros compostos químicos presentes no cimento. De particular importância são os cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH) 2, que em contato com os gás carbônico dão origem ao carbonato de cálcio, com redução do volume da massa. Este fenômeno de retração por carbonatação, embora ainda não totalmente esclarecido, não pode ser desprezado, pois além do hidróxido de cálcio, também os silicatos de cálcio hidratados reagem com o gás carbônico. Ca(OH) 2 + CO2 + CaCO3 + H2O Reação com redução de volume: retração por carbonatação. Em resumo, para o estudo da deformabilidade do concreto, a matriz que envolve os agregados pode ser imaginada como composta por um hidrogel rígido, no qual

20 Capítulo 2 Deformabilidade do concreto 14 existem poros decorrentes da contração química da água não evaporável, existindo também nesta matriz uma rede de poros capilares preenchidos por água e por ar, podendo haver permuta desses elementos com o meio ambiente. 2.3 RETRAÇÃO E EXPANSÃO Denominase retração à redução de volume que ocorre no concreto, mesmo na ausência de tensões mecânicas e de variações de temperatura. Embora seja mais comum a redução de volume, também pode ocorrer o fenômeno inverso, de expansão quando o elemento estrutural estiver em presença de água. A Figura 2.5 mostra o progresso da retração com a idade, onde se nota que ela é maior no início, depois tende assintoticamente a um valor final. Figura 2.5 Progresso da retração e da expansão com a idade A Figura 2.5 mostra também o progresso da expansão com a idade, no caso de elementos estruturais submersos. Notase que, no início, ocorre retração. Somente depois que as tensões causadas pelo fluxo de água no sentido oposto sobrepujam as tensões de retração é que ocorre expansão CAUSAS DA RETRAÇÃO E DA EXPANSÃO Nas elementos estruturais de concreto curados ao ar livre, existem basicamente três causas distintas da retração: a retração química provocada pela contração da água não evaporável que vai sendo combinada com o cimento durante todo o processo de endurecimento, a retração decorrente da evaporação parcial da água capilar que permanece no concreto após o seu endurecimento e a eventual retração por carbonatação dos produtos decorrentes da hidratação do cimento. No caso das peças curadas em tanque com água, a expansão pode ser justificada pela absorção de água, que vai ocupar, pelo menos parcialmente, os vazios decorrentes da retração química ocorrida durante o período de pega do concreto e os vazios preenchidos pelo ar incorporado durante a mistura mecânica do concreto e que não puderam ser eliminados durantes o seu adensamento FATORES QUE INFLUEM NA RETRAÇÃO Os fatores que influem na retração são os seguintes: a composição química do cimento Os cimentos mais resistentes e os de endurecimento mais rápido apresentam maior retração.